HEM法蓝宝石生长 - 360文档中心

蓝宝石性质

蓝宝石单晶，是纯净的三氧化二铝（α-Al2O3），具有极好的热导性，电气绝缘性，透光性，化学稳定性，以及耐高温，高强度，高硬度等一系列优良的特性，是红外装置、导弹、潜艇、卫星空间技术、探测和高功率强激光等的窗口材料，优质光学材料，耐磨轴承材料和衬底材料。蓝宝石的C面与GaN单晶膜之间的晶格常数失配率小，同时符合GaN单晶膜生长过程中耐高温的要求，使得蓝宝石晶片成为制作白/蓝光LED的关键衬底材料，被广泛应用在LED产业中。利用热交换法（简称HEM法）生长的蓝宝石单晶，因为温度的分布与重力场相反，故而熔体中没有对流作用发生，保证了晶体在稳定状态下生长，得到的蓝宝石单晶具有完美的光学均匀性，并且没有散射、夹杂和气泡等缺陷。目前，所有蓝宝石晶体生长方法中，热交换法生长的蓝宝石单晶的晶体质量是最好的。热交换法生长的蓝宝石晶体性质：1、从近紫外到中红外都有很好的透光性2、很高的机械强度3、化学性质稳定，耐高温下多种酸的侵蚀4、很好的抗热冲击能力5、很高的抗辐射能力6、硬度高7、介电常数高蓝宝石蓝宝石的矿物名称为刚玉，属刚玉族矿物。实际上自然界中的宝石级刚玉除红色的称红宝石外，其余各种颜色如蓝色、淡蓝色、绿色、黄色、灰色、无色等，均称为蓝宝石。蓝宝石的化学成分（AL2O3）,主要以Fe、Ti、致色。蓝宝石属于三方晶系，具有六方结构，如图所示晶格常数为：a=b=4.758A, c=12.991A 折射率1.762-1.770 双折射：0.008~0.010 一轴晶负光性[2]，个别情况下具有异常的二轴晶光性光泽：亮玻璃光泽至亚金刚光泽多色性：有色蓝宝石具有二色性，一般有，深蓝色/蓝色，蓝色/浅蓝色、蓝绿色、蓝灰色，黄色蓝宝石有金黄色/黄色，橙黄色/浅黄色，浅黄色/无色，等。蓝宝石的成分为氧化铝，因含微量元素钛（Ti4+）或铁（Fe2+）而呈蓝色。属三方晶系。晶体形态常呈筒状、短柱状、板状等，几何体多为粒状或致密块状。透明至半透明，玻璃光泽。蓝宝石原石折光率1.76-1.77，双折射率0.008，二色性强。非均质体。有时具有特殊的光学效应-星光效应。硬度为9，密度3.95-4.1克/立方厘米。无解理，裂理发育。在一定的条件下，可

蓝宝石基本知识

1、蓝宝石介绍

蓝宝石的组成为氧化铝(Al2O3)，是由三个氧原子和两个铝原子以共价键型式结合而成,其晶体结构为六方晶格结构.它常被应

用的切面有A-Plane,C-Plane及R-Plane.由于蓝宝石的光学穿

透带很宽,从近紫外光(190nm)到中红外线都具有很好的透光性.

因此被大量用在光学元件、红外装置、高强度镭射镜片材料及

光罩材料上，它具有高声速、耐高温、抗腐蚀、高硬度、高透

光性、熔点高（2045℃）等特点，它是一种相当难加工的材料，因此常被用来作为光电元件的材料。目前超高亮度白/蓝光LE

D的品质取决于氮化镓磊晶(GaN)的材料品质，而氮化镓磊晶品质则与所使用的蓝宝石基板表面加工品质息息相关，蓝宝石(单晶Al2O3 )C面与Ⅲ-Ⅴ和Ⅱ-Ⅵ族沉积薄膜之间的晶格常数失配率小，同时符合GaN 磊晶制程中耐高温的要求，使得蓝宝石晶片成为制作白/蓝/绿光LED的关键材料.

2、蓝宝石晶体的生长方法常用的有两种:

1:柴氏拉晶法(Czochralski method),简称CZ法.先将原料加热至熔点后熔化形成熔汤，再利用一单晶晶种接触到

熔汤表面，在晶种与熔汤的固液界面上因温度差而形成过冷。

于是熔汤开始在晶种表面凝固并生长和晶种相同晶体结构的单

晶。晶种同时以极缓慢的速度往上拉升，并伴随以一定的转速旋转，随着晶种的向上拉升，熔汤逐渐凝固于晶种的液固界面上，进而形成一轴对称的单晶晶锭.

2:凯氏长晶法(Kyropoulos method),简称KY法,大陆称之为泡生法.其原理与柴氏拉晶法(Czochralskimethod)类似，先将原料加热至熔点后熔化形成熔汤，再以单晶之晶种(SeedC rystal，又称籽晶棒)接触到熔汤表面，在晶种与熔汤的固液界面上开始生长和晶种相同晶体结构的单晶，晶种以极缓慢的速度往上拉升，但在晶种往上拉晶一段时间以形成晶颈，待熔汤与晶种界面的凝固速率稳定后，晶种便不再拉升，也没有作旋转，仅以控制冷却速率方式来使单晶从上方逐渐往下凝固，最后凝固成一整个单晶晶碇.

蓝宝石新材料生产工艺流程

蓝宝石是一种非常珍贵的宝石，具有高硬度、高抗腐蚀性、高传热性和高光学透明性

等特性。由于其独特的物理和化学特性，蓝宝石被广泛用于光电子学、光学、电子、信息、通信和航空航天等领域。

然而，传统的蓝宝石生产工艺存在成本高、废料多、生产效率低等问题。为了解决这

些问题，研究人员不断探索新的蓝宝石生产工艺。目前，一种新的蓝宝石生产工艺已经被

广泛采用并得到了应用。以下是该工艺流程的详细介绍。

1.原材料选择

蓝宝石的原材料可以是天然蓝宝石，也可以是化学合成的蓝宝石。其中，化学合成的

蓝宝石成本更低，而且可以控制其物理和化学特性，因此被广泛采用。

2.蓝宝石生长

化学合成蓝宝石的生长有两种方法，一种是熔融法，另一种是水热法。

（1）熔融法

熔融法是将粉状或块状的蓝宝石原料加热到高温并保持液态，然后缓慢降温，使蓝宝

石晶体生长。在生长过程中需要控制温度、压力、冷却速度等多个参数，以确保晶体的质量。

（2）水热法

水热法是将蓝宝石原料放入加有溶剂的高压容器中，在高温高压的条件下进行晶体生长。在生长过程中需要控制温度、压力、溶剂浓度和生长时间等参数。

3.晶体切割和抛光

晶体生长完成后，需要将晶体切割成所需的形状和尺寸，并进行抛光处理。切割晶体

的工艺需要控制切口的质量和位置，以确保后续加工的效果。

4.蓝宝石加工

蓝宝石加工包括打孔、切割、切槽、钻孔等多个工艺，以制成所需的透镜、激光波导

器件、光学器件、LED芯片等产品。加工时需要控制工艺参数，以确保产品的质量和性

能。

5.检验和测试

蓝宝石制品生产完成后，需要进行检验和测试，以确保产品满足规定标准和要求。检验和测试包括组装、测试和微观结构分析等多个环节。

蓝宝石各种生长方法

一、蓝宝石生长

1.1 蓝宝石生长方法

1.1.1 焰熔法Verneuil (flame fusion)

最早是1885年由弗雷米（E. Fremy）、弗尔（E. Feil）

和乌泽（Wyse）一起，利用氢氧火焰熔化天然的红宝石粉末

与重铬酸钾而制成了当时轰动一时的“ 日内瓦红宝石”。后

来于1902年弗雷米的助手法国的化学家维尔纳叶（Verneuil）

改进并发展这一技术使之能进行商业化生产。因此，这种方

法又被称为维尔纳叶法。

1）基本原理

焰熔法是从熔体中生长单晶体的方法。其原料的粉末在通

过高温的氢氧火焰后熔化，熔滴在下落过程中冷却并在种晶

上固结逐渐生长形成晶体。

2）合成装置与条件、过程

焰熔法的粗略的说是利用氢及氧气在燃烧过程中产生高

温，使一种疏松的原料粉末通过氢氧焰撒下焰融，并落在一

个冷却的结晶杆上结成单晶。下图是焰熔生长原料及设备简

图。这个方法可以简述如下。图中锤打机构的小锤7按一定

频率敲打料筒，产生振动，使料筒中疏松的粉料不断通过筛

网6，同时，由进气口送进的氧气，也帮助往下送粉料。

氢经入口流进，在喷口和氧气一起混合燃烧。粉料在经过高温火焰被熔融而落在一个温度较低的结晶杆2上结成晶体了。炉体4设有观察窗。可由望远镜8观看结晶状况。为保持晶体的结晶层在炉内先后维持同一水平，在生长较长晶体的结晶过程中，同时设置下降机构1，把结晶杆2缓缓下移。

焰熔法合成装置由供料系统、燃烧系统和生长系统组成，合成过程是在维尔纳叶炉中进行的。

A.供料系统

原料：成分因合成品的不同而变化。原料的粉末经过充分拌匀，放入料筒。如果合成红宝石，则需要Al2O3粉末和少量的 Cr2O3参杂，Cr2O3用作致色剂，添加量为 1-3%。三氧化二铝可由铝铵矾加热获得。料筒：圆筒，用来装原料，底部有筛孔。料筒中部贯通有一根

三种长晶方法探讨

CZ,KY,HEM法比較

1:柴氏拉晶法(Czochralski method),簡稱CZ法.先將原料加熱至熔點後熔化形成熔湯，再利用一單晶晶種接觸到熔湯表面，在晶種與熔湯的固液介面上因溫度差而形成過冷。於是熔湯開始在晶種表面凝固並生長和晶種相同晶體結構的單晶。晶種同時以極緩慢的速度往上拉升，並伴隨以一定的轉速旋轉，隨著晶種的向上拉升，熔湯逐漸凝固於晶種的液固介面上，進而形成一軸對稱的單晶晶錠.

2:凱氏長晶法(Kyropoulos method),簡稱KY法,大陸稱之為泡生法.其原理與柴氏拉晶法(Czochralskimethod)類似，先將原料加熱至熔點後熔化形成熔湯，再以單晶之晶種(SeedCrystal，又稱籽晶棒)接觸到熔湯表面，在晶種與熔湯的固液介面上開始生長和晶種相同晶體結構的單晶，晶種以極緩慢的速度往上拉升，但在晶種往上拉晶一段時間以形成晶頸，待熔湯與晶種介面的凝固速率穩定後，晶種便不再拉升，也沒有作旋轉，僅以控制冷卻速率方式來使單晶從上方逐漸往下凝固，最後凝固成一整個單晶晶碇.

3.美國Crystal Systems用於生長單晶藍寶石(Sapphire)的熱交換法(Heat exchange method，HEM熱交換法)，它的長晶特點是通過氦氣冷卻坩堝的中心底部，保持籽晶不被熔化，並在長晶過程中帶走熱量，控制單晶不斷地生長，HEM法制得的晶體缺陷少且可生產大尺寸晶體

以上三種方法是現在各國最常用的,各有各的好處,但已成本來算,基本上能長得大,缺點少就是最佳的,以現在來說HEM法與泡生法在生長尺寸上來說,沒有太大差異,但成本上泡生法較低,而現在CrystalTech HEM法爐體,生長晶體,最大只能到60kg,故二者必須做一抉擇,

各种蓝宝石长晶方法汇整

坩埚下降法
该方法的创始人是P.W.Bridgman，论文发表于1925年。 D.C.Stockbarger曾对这种方法的发展作出了重要的推动，因此这种方法也可以叫做布里奇曼－斯托克巴杰方法,简称B-S方法。
该方法的特点是使熔体在坩埚中冷却而凝固。坩埚可以垂直放置，也可以水平放置(使用“舟”形坩埚)，如下图所示。生长时，将原料放入具有特殊形状的坩埚里，加热使之熔化。通过下降装置使坩埚在具有一定温度梯度的结晶炉内缓缓下降，经过温度梯度最大的区域时，熔体便会在坩埚内自下由上地结晶为整块晶体。
焰熔法基本原理
焰熔法是从熔体中生长单晶体的方法。其原料的粉末在通过高温的氢氧火焰后熔化，熔滴在下落过程中冷却并在种晶上固结逐渐生长形成晶体
焰熔法生长方式示意图
料锤周期性地敲打装在料斗里的粉末原料，粉料从料斗中逐渐地往下掉，落到位置6处，由入口4和入口5进入的氢气氧气形成氢氧焰，将粉料熔融。熔体掉到籽晶7上，发生晶体生长，籽晶慢慢往下降，晶体就慢慢增长。使用此方法生长的晶体可长达1m。由于生长速度较快，利用该法生长的红宝石晶体应力较大, 只适合做手表轴承等机械性能方面
总之，B－S法的最大优点是能够制造大直径的晶体(直径达 200mm)，其主要缺点是晶体和坩埚壁接触容易产生应力或寄生成核。它主要用于生长碱金属和碱土金属的卤族化合物(例如CaF2、LiF、NaI等)以及一些半导体化合物 (例如 AgGaSe2、AgGaS2、CdZnTe等)晶体

数种蓝宝石晶体生长方法

蓝宝石晶体的生长方法

自1885年由Fremy、Feil和Wyse利用氢氧火焰熔化天然红宝石粉末与重铬酸钾而制成了当时轰动一时的“日内瓦红宝石”，迄今人工生长蓝宝石的研究已有100多年的历史。在此期间，为了适应科学技术的发展和工业生产对于蓝宝石晶体质量、尺寸、形状的特殊要求，为了提高蓝宝石晶体的成品率、利用率以及降低成本，对蓝宝石的生长方法及其相关理论进行了大量的研究，成果显著。至今已具有较高的技术水平和较大的生产能力，为之配套服务的晶体生长设备——单晶炉也随之得到了飞速的发展。随着蓝宝石晶体应用市场的急剧膨胀，其设备和技术也在上世纪末取得了迅速的发展。晶体尺寸从2吋扩大到目前的12吋。

低成本、高质量地生长大尺寸蓝宝石单晶已成为当前面临的迫切任务。总体说来，蓝宝石晶体生长方式可划分为溶液生长、熔体生长、气相生长三种，其中熔体生长方式因具有生长速率快，纯度高和晶体完整性好等特点，而成为是制备大尺寸和特定形状晶体的最常用的晶体生长方式。目前可用来以熔体生长方式人工生长蓝宝石晶体的方法主要有焰熔法、提拉法、区熔法、导模法、坩埚移动法、热交换法、温度梯度法、泡生法等。而泡生法工艺生长的蓝宝石晶体约为目前市场份额的70%。LED蓝宝石衬底晶体技术正属于一个处于正在发展的极端，由于晶体生长技术的保密性，其多数晶体生长设备都是根据客户要求按照工艺特点定做，或者采用其他晶体生长设备改造而成。下面介绍几种国际上目前主流的蓝宝石晶体生长方法。

图9 蓝宝石晶体的生长技术发展

1 凯氏长晶法(Kyropoulos method)

蓝宝石基本知识

1、蓝宝石介绍

蓝宝石的组成为氧化铝(Al2O3)，是由三个氧原子和两个铝原子以共价键型式结合而成,其晶体结构为六方晶格结构.它常被应

用的切面有A-Plane,C-Plane及R-Plane.由于蓝宝石的光学穿

透带很宽,从近紫外光(190nm)到中红外线都具有很好的透光性.

因此被大量用在光学元件、红外装置、高强度镭射镜片材料及

光罩材料上，它具有高声速、耐高温、抗腐蚀、高硬度、高透

光性、熔点高（2045℃）等特点，它是一种相当难加工的材料，因此常被用来作为光电元件的材料。目前超高亮度白/蓝光LE

D的品质取决于氮化镓磊晶(GaN)的材料品质，而氮化镓磊晶品质则与所使用的蓝宝石基板表面加工品质息息相关，蓝宝石(单晶Al2O3 )C面与Ⅲ-Ⅴ和Ⅱ-Ⅵ族沉积薄膜之间的晶格常数失配率小，同时符合GaN 磊晶制程中耐高温的要求，使得蓝宝石晶片成为制作白/蓝/绿光LED的关键材料.

2、蓝宝石晶体的生长方法常用的有两种:

1:柴氏拉晶法(Czochralski method),简称CZ法.先将原料加热至熔点后熔化形成熔汤，再利用一单晶晶种接触到

熔汤表面，在晶种与熔汤的固液界面上因温度差而形成过冷。

于是熔汤开始在晶种表面凝固并生长和晶种相同晶体结构的单

晶。晶种同时以极缓慢的速度往上拉升，并伴随以一定的转速旋转，随着晶种的向上拉升，熔汤逐渐凝固于晶种的液固界面上，进而形成一轴对称的单晶晶锭.

2:凯氏长晶法(Kyropoulos method),简称KY法,大陆称之为泡生法.其原理与柴氏拉晶法(Czochralskimethod)类似，先将原料加热至熔点后熔化形成熔汤，再以单晶之晶种(SeedC rystal，又称籽晶棒)接触到熔汤表面，在晶种与熔汤的固液界面上开始生长和晶种相同晶体结构的单晶，晶种以极缓慢的速度往上拉升，但在晶种往上拉晶一段时间以形成晶颈，待熔汤与晶种界面的凝固速率稳定后，晶种便不再拉升，也没有作旋转，仅以控制冷却速率方式来使单晶从上方逐渐往下凝固，最后凝固成一整个单晶晶碇.

蓝宝石晶体生长技术

蓝宝石是一种非常珍贵的宝石，其具有高度的透明度和魅力的蓝色光泽。然而，天然蓝宝石的价格昂贵且稀缺，因此科技界提出了人工合成蓝宝石的方法。本文将介绍蓝宝石晶体的生长技术。

高温高压生长法是较为传统的一种方法。它模拟了地球内部的高温高压环境，利用合适的矿物质和金属盐在高温高压条件下进行晶体生长。在这个过程中，先将金属盐溶解在熔剂中，然后将蓝宝石种子放置在溶液中促进晶体生长。这种方法由于需要高温高压环境，相对较难控制，但可以制备更大尺寸和更高质量的蓝宝石晶体。

化学气相沉积法是一种相对较新的技术，它采用气相材料进行晶体生长。在这个过程中，将金属源和气相原料（如铝和气氙）连续供应到高温反应室中，使其在晶体基底上沉积，并逐渐形成完整的蓝宝石晶体层。与HPHT法相比，化学气相沉积法更容易控制和扩展生产规模，适用于生产更薄的蓝宝石晶片。

无论采用哪种生长方法，蓝宝石晶体的质量都受到很多因素的影响。其中，晶体的化学纯度、温度、压力、溶液成分和生长速度等因素都非常重要，直接影响着蓝宝石晶体的结构和质量。

为了获得高质量的蓝宝石晶体，科研人员还在不断研究改进这些生长技术。例如，改变晶体生长的初始条件、优化晶体的生长环境、选择合适的基底材料等方法，都有助于提高蓝宝石晶体的质量和产率。

蓝宝石晶体的人工合成在很大程度上满足了市场对宝石的需求。它不仅可以大量生产高质量的蓝宝石晶体，还可以根据市场和消费者需求来调

整颜色、尺寸和形状。此外，与天然蓝宝石相比，人工合成的蓝宝石更加经济实惠，也更环保可持续。

人工蓝宝石加工介绍

除红宝石以外的所有刚玉宝石的通称
主要化学成分:Al2O3
晶体结构：六方晶格结构
掺杂不同的金属离子而呈现不同颜色
硬度：莫氏硬度9
2021/10/10
1
蓝宝石晶体生长方法
• 溶液生长 • 熔体生长 • 气相生长
紫氏拉晶法即:提拉法(CZ) 凯氏长晶法即:泡生法(KY) 热交换法(HEM)
2021/10/10
4 蓝宝石基板应用种类广大外延片厂家使用的蓝宝石基片分为三种:
1:C-Plane蓝宝石基板这是广大厂家普遍使用的供GaN生长的蓝宝石基板面.这主要是因为
蓝宝石晶体沿C轴生长的工艺成熟、成本相对较低、物化性能稳定,在 C面进行磊晶的技术成熟稳定.
2:R-Plane或M-Plane蓝宝石基板主要用来生长非极性/半极性面GaN外延薄膜,以提高发光效率.通常
• 非常适合制作集成的电子器件; 而利用其特有的禁带宽度, 还可以制作蓝、绿光和紫外光的发光器件和光探测器件.
2021/10/10
12
• 而将GaA s、InP、GaP、InA s、A lA s 及其合金等称为第二代电子材料;
• 宽禁带(E g> 213eV ) 半导体材料近年来发展十分迅速, 成为第三代电子材料, 主要包括SiC、ZnSe、金刚石和GaN 等.
• 同第一、二代电子材料相比宽禁带半导体材料具有禁带宽度大, 电子漂移饱和速度高, 介电常数小, 导热性能好等特点,抗辐射、高频、大功率和高密度

蓝宝石长晶技术简介

藍寶石單晶生長方法介紹

藍寶石單晶的長晶方法有很多種，其中最常用的主要有九種，介紹如下：

1凱氏長晶法(Kyropoulos method)

簡稱 KY 法，中國大陸稱之為泡生法。其原理與柴氏拉晶法(Czochralski method)類似，先將原料加熱至熔點後熔化形成熔湯，再以單晶之晶種(Seed Crystal，又稱籽晶棒)接觸到熔湯表面，在晶種與熔湯的固液界面上開始生長和晶種相同晶體結構的單晶，晶種以極緩慢的速度往上拉升，但在晶種往上拉晶一段時間以形成晶頸，待熔湯與晶種界面的凝固速率穩定後，晶種便不再拉升，也沒有作旋轉，僅以控制冷卻速率方式來使單晶從上方逐漸往下凝固，最後凝固成一整個單晶晶碇，凱氏長晶法是利用溫度控制來生長晶體，它與柴氏拉晶法最大的差異是只拉出晶頸，晶身部分是靠著溫度變化來生長，並在拉晶頸的同時，調整加熱電壓，使熔融的原料達到最合適的長晶溫度範圍，讓生長速度達到最理想化，因而長出品質最理想的藍寶石單晶。

國外許多生長藍寶石的廠商，也是採用此方法以生長藍寶石單晶，凱氏長晶法在生長過程中，除了晶頸需拉升外，其餘只需控制溫度的變化，就可使晶體成型，少了拉升及旋轉的干擾，比較好控制製程，因而可得到較佳的品質。所以生長的藍寶石單晶具有以下的優點： 1.高品質(光學等級)。2.低缺陷密度。3.大尺寸。 4.較快的生長率。5.高產能。6.較佳的成本效益。

凱氏長晶法原理示意圖

2柴氏拉晶法(Czochralski method)

簡稱 CZ 法。柴氏拉晶法之原理，先將原料加熱至熔點後熔化形成熔湯，再利用一單晶晶種接觸到熔湯表面，在晶種與熔湯的固液界面上因溫度差而形成過冷。於是熔湯開始在晶種表面凝固並生長和晶種相同晶體結構的單晶。晶種同時以極緩慢的速度往上拉升，並伴隨以一定的轉速旋轉，隨著晶種的向上拉升，熔湯逐漸凝固於晶種的液固界面上，進而形成一軸對稱的單晶晶棒。在拉升的過程中，透過控制拉升速度的快慢的調配，分別生長晶頸(Neck)、晶冠(Shoulder)、晶身(Body)以及晶尾。每個部份都有其用意，生長晶頸主要是用來消除差排。因為長晶過程複雜，差排產生量不易支配，所以大部分的晶體生長過程，都以消除差排為主要選擇。長完晶頸後，需放慢拉升速度，使晶體直徑增大到所需的尺寸，此步驟為晶冠生長。當晶體直徑增大到所需尺寸時，就以等速的速度來拉升，此部分的晶體直徑是固定的，也就是晶身部分。此部分就是要作為工業用基板材料的部份，所以生長時，需格外小心。當晶身長完時，就要使晶棒離開熔湯，此時拉升的速度會變快，使晶棒的直徑縮小，直到變成點狀時，再從熔湯中分開。此步驟為晶尾生長，其目的是要避免晶棒與熔湯快速分離時，所產生的熱應力，若在分離時產生熱應力，此熱應力將使晶棒產生差排及滑移線等缺陷。在現在的半導體產業中，CZ 法是最常見到的晶體生長法，由於能生長出較大直徑之晶體，所以大約 85％的半導體產業都使用 CZ 法來生長單晶棒。

蓝宝石基本知识

1、蓝宝石介绍

蓝宝石的组成为氧化铝(Al2O3)，是由三个氧原子和两个铝原子以共价键型式结合而成,其晶体结构为六方晶格结构.它常被应

用的切面有A-Plane,C-Plane及R-Plane.由于蓝宝石的光学穿

透带很宽,从近紫外光(190nm)到中红外线都具有很好的透光性.

因此被大量用在光学元件、红外装置、高强度镭射镜片材料及

光罩材料上，它具有高声速、耐高温、抗腐蚀、高硬度、高透

光性、熔点高〔2045℃〕等特点，它是一种相当难加工的材料，因此常被用来作为光电元件的材料。目前超高亮度白/蓝光LE

D的品质取决于氮化镓磊晶(GaN)的材料品质，而氮化镓磊晶品质则与所使用的蓝宝石基板外表加工品质息息相关，蓝宝石(单晶Al2O3 )C面与Ⅲ-Ⅴ和Ⅱ-Ⅵ族沉积薄膜之间的晶格常数失配率小，同时符合GaN 磊晶制程中耐高温的要求，使得蓝宝石晶片成为制作白/蓝/绿光LED的关键材料.

2、蓝宝石晶体的生长方法常用的有两种:

1:柴氏拉晶法(Czochralski method),简称CZ法.先将原料加热至熔点后熔化形成熔汤，再利用一单晶晶种接触到

熔汤外表，在晶种与熔汤的固液界面上因温度差而形成过冷。

于是熔汤开始在晶种外表凝固并生长和晶种相同晶体结构的单

晶。晶种同时以极缓慢的速度往上拉升，并伴随以一定的转速旋转，随着晶种的向上拉升，熔汤逐渐凝固于晶种的液固界面上，进而形成一轴对称的单晶晶锭.

2:凯氏长晶法(Kyropoulos method),简称KY法,大陆称之为泡生法.其原理与柴氏拉晶法(Czochralskimethod)类似，先将原料加热至熔点后熔化形成熔汤，再以单晶之晶种(SeedC rystal，又称籽晶棒)接触到熔汤外表，在晶种与熔汤的固液界面上开始生长和晶种相同晶体结构的单晶，晶种以极缓慢的速度往上拉升，但在晶种往上拉晶一段时间以形成晶颈，待熔汤与晶种界面的凝固速率稳定后，晶种便不再拉升，也没有作旋转，仅以控制冷却速率方式来使单晶从上方逐渐往下凝固，最后凝固成一整个单晶晶碇.

蓝宝石的生长方法

SAPMAC法生长蓝宝石单晶的过程大致可分为[22,25]：真空条件下加热原料、引晶、冷心放肩、等径提拉、收尾和退火及冷却阶段。根据蓝宝石单晶生长的不同阶段特点，结合晶体的热物性能与温度的关系，对温场进行优化，选择1.0～5.0 mm/h的生长速率和10～30℃/h的降温速率进行蓝宝石单晶的生长。
SAPMAC法是对传统泡生法的改进，与传统泡生法相比，其特点为[22,25]：1)通过在“冷心位置”(与坩埚几何中心相对偏差不大于φ= 20.0 mm)处放肩，使得在整个结晶过程中，蓝宝石单晶的晶向遗传特性良好，即可保证高质量蓝宝石单晶的生长；2)通过高精度的能量控制配合微量提拉，使得在整个结晶过程中无明显的温场扰动，产生缺陷的几率明显降低；3)在整个晶体生长过程中，晶体始终处于坩埚内，即一直处于热区，可精确控制其冷却速率，减少热应力；4)材料综合利用率是传统泡生法的1.2倍以上；5)在引晶和放肩阶段引入提拉机制，并通过合理的温场设计与工艺控制，保证在熔体冷心处引晶，克服了传统泡生法只能生长大直径，但高度较小的不足；6)在降温过程中，晶体可以实现原位退火，即可降低氧缺位，并可简化程序、节省能源。采用SAPMAC法生长出的蓝宝石单晶尺寸达φ240 mm × 210 mm[24]和φ300 mm × 270 mm[23]，见图6。
可防止坩埚壁的寄生成核；4)可降低位错密度，提高单晶的完整性。主要缺点为：晶体与坩埚转动引

蓝宝石晶体主要生长方法和研究现状

1 蓝宝石晶体的特质

蓝宝石晶体是一种理想的晶体材料，具有良好的导热性、透光性、化学稳定性，且耐高温、耐腐蚀、高强度、高硬度，被广泛应用于抗高压器件、耐磨损器件、红外制导、导弹整流罩等太空、军事、科研等高科技领域[1]。由于天然蓝宝石稀少，成本高以及化学成分不纯，因而不能被工业材料广泛使用，工业上大量应用的蓝宝石是人工合成。本文对蓝宝石晶体的主要生长方法作了较详细介绍，综述了国内外的一些研究成果并讨论了目前存在的问题。2 蓝宝石晶体主要生长方法2.1 坩埚下降法（VGF ）

坩埚下降法的基本原理如图1所示，其生长过程为：将晶体生长的原料装入坩埚内，使其通过具有单向温度梯度的生长炉（温度上高下低），随着坩埚逐渐向下的连续运动，固液界面沿着与其运动相反的方向定向生长，熔体自下而上凝固，从而实现晶体生长过程的连续性。坩埚形状对于是否能成功获得优质的单晶具有决定性的作用，通过设计合适的坩埚尖端形状，使得只有一个晶粒长大，终止其他晶粒的生

长，以成功获得单晶，也可以在坩埚底部放置加工成一定形

状和取向的籽晶，以实现单晶生长。采用坩埚下降法生长出的晶体内应力及位错密度大，但由于坩埚密封，晶体不易被污染，纯度较高。2.2 热交换法（HEM）

热交换法应用于蓝宝石晶体生长最早在1970年，由Schmid 和Viechnicki 提出[2]。美国Crystal Systems 公司的S.Frederick 等人[3]将热交换法用于蓝宝石晶体生长已有30多年的历史。目前热交换法所生长的晶体直径可达430mm [4]。

蓝宝石长晶方法比对(HEM-KY)

HEM&KY长晶方法比对1.简述表

2.工艺分析

热交换法（HEM）

1970年，美国的Schmid和Viechnicki发明了一种新的单晶生长方法，称为Gradient Furnace Technique，1974年将该方法正式命名为热交换法(HEM)。热交换法的基本原理是利用热交换器带走热量，使生长炉内形成一个下冷上热的纵向温度梯度，通过控制热交换器内气体流量及加热功率的大小来控制温场，从而实现晶体的生长，其实质是熔体在坩埚内的直接凝固。

将装有原料的坩埚放在热交换器中心，籽晶置于坩埚底部中心处并固定于热交换器一端，加热坩埚内的原料至完全熔化，由于氦气流过热交换器冷却，籽晶并不熔化。待温场稳定后，逐渐加大氦气流量，从熔体中带走的热量随之加剧，使熔体延籽晶逐渐凝固并长大，同时逐渐降低加热温度，直至整个坩埚内的熔体全部凝固。Schmid认为，对于热交换法，生长过程中应严格控制降温的速率，其值要小于15K/h，而当炉内环境温度接近熔点(Tm)＋5K时，降温速率最好控制在5K/h以下，否则，单晶体内极易产生气泡，而且晶体内的位错密度也会迅速增加[28]。由此可见，愈小的降温速率愈有助于获得良好的晶体。

利弊分析：

热交换法的主要优势在于：固液界面位于坩锅内，坩埚不做任何移动，受外力作用干扰少；通过改变坩锅形状可以改变晶体生长的形状，减少对流的影响，因此该工艺较适于制造大尺寸的蓝宝石单晶。

缺点：

氦气问题：氦气冷却，需要建氦气站、氦气循环系统，成本高，密封难；湍流引起缺陷；同时非真空生长容易引入微气泡。

我国蓝宝石晶体生长技术的现状与发展趋势

Abstract： Through being developed for more than half a century，Al2 O3 crystal has been widely used owing to a series of good physical and chemical properties such as high rigidity，high intensity，heat-resistance， corrosion-resistance，high light penetration，good insulation performance，etc． The great success has achieved in the research of Al2 O3 crystal growth technique． Remarkable advances have been made in all kinds of growth technique，part of which have been extensively applied on an industrial scale． It has made enormous contribution on our light industry，national defence industry，aeronautics and astronautics，etc and also provided strong guarantee for rapid development of LED industry in recent years． Key words： Al2 O3 crystal； growth method； equipment； kyropoulos method